真空管道超高速磁懸浮列車通信信號(hào)系統(tǒng)展望

劉振玉，楊 凱，樊 亮，屈永正

（1. 湖南中車時(shí)代通信信號(hào)有限公司 北京分公司，北京 100070；2. 湖南中車時(shí)代通信信號(hào)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

0 引言

真空管道磁懸浮超高速飛行列車或稱“真空管道超高速磁懸浮列車”，是一種以“鋼鐵俠”埃隆·馬斯克提出的“超級(jí)高鐵”為原型、運(yùn)行速度可以達(dá)到1 000 km/h以上的新型軌道交通列車，其融合了管道交通技術(shù)和軌道交通技術(shù)，是下一代交通的發(fā)展趨勢(shì)之一，具有較好的發(fā)展前景。真空管道超高速磁懸浮列車的通信信號(hào)系統(tǒng)包括信號(hào)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。盡管此前并無(wú)真空管道超高速磁懸浮列車通信信號(hào)系統(tǒng)的專項(xiàng)研究，但其信號(hào)系統(tǒng)（運(yùn)行控制系統(tǒng)）仍可以參考高速磁懸浮系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為中央控制系統(tǒng)、分區(qū)控制系統(tǒng)和車載控制系統(tǒng)3級(jí)。真空管道超高速磁懸浮列車通信系統(tǒng)包括地面有線通信子系統(tǒng)和車地雙向無(wú)線通信子系統(tǒng)，其中車地雙向無(wú)線通信子系統(tǒng)是最重要組成部分。本文對(duì)真空管道超高速磁懸浮列車的通信信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和技術(shù)展望。

1 信號(hào)系統(tǒng)組成

信號(hào)系統(tǒng)作為安全相關(guān)系統(tǒng)，是本文闡述的重點(diǎn)。真空管道超高速磁懸浮列車信號(hào)系統(tǒng)方案不止一種，本文嘗試從列車控制一體化的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 系統(tǒng)組成簡(jiǎn)介

真空管道超高速磁懸浮列車具有3級(jí)運(yùn)行控制的信號(hào)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，包括中央控制系統(tǒng)（centralized control system，CS），分區(qū)控制系統(tǒng)（decentralized control system，DCS）和車載控制系統(tǒng)，如圖1所示。相比傳統(tǒng)的基于通信的列車控制系統(tǒng)（communication based train control, CBTC）[1]（圖2），真空管道超高速磁懸浮列車信號(hào)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)更接近于車車通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，尤其是其中央控制系統(tǒng)，它和列車自動(dòng)監(jiān)控（automatic train supervision，ATS）系統(tǒng)基本一致；其分區(qū)控制系統(tǒng)也被定義為類似對(duì)象控制器(object controller, OC)的單個(gè)一體化安全設(shè)備，設(shè)計(jì)之初采用聯(lián)鎖與列控一體化思路[2]，不再區(qū)分聯(lián)鎖和區(qū)域控制中心（zone controller，ZC）。

圖1 真空管道超高速磁懸浮列車信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 1 Structure of the operation control system for vacuum pipeline ultra high speed maglev train

圖2 傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 2 Typical structure of CBTC system

1.2 與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)和基于車車通信的CBTC系統(tǒng)比較

與傳統(tǒng) CBTC相比，真空管道超高速磁懸浮列車信號(hào)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）無(wú)人駕駛，自動(dòng)化等級(jí)高；

（2）牽引控制及供電設(shè)備被安裝在地面，而非車載；

（3）軌旁無(wú)軌道電路及應(yīng)答器，也不涉及信號(hào)機(jī)和計(jì)軸系統(tǒng)。

傳統(tǒng)CBTC列車和基于車車通信CBTC列車均屬于輪軌系統(tǒng)，駕駛模式為車載駕駛；而真空管道超高速磁懸浮列車屬于高速磁浮系統(tǒng)，采用長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)，其牽引控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng)均被部署在地面，駕駛模式為地面駕駛[3]。與CBTC 系統(tǒng)相比，真空管道超高速磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)存在的差異主要在體系架構(gòu)、車門及屏蔽門聯(lián)動(dòng)、牽引制動(dòng)控制等方面[4]，其牽引、供電系統(tǒng)與運(yùn)行控制系統(tǒng)之間的聯(lián)系更加緊密，因此可對(duì)分區(qū)控制系統(tǒng)進(jìn)行一體化控制設(shè)計(jì)。在同為GoA4級(jí)[5]的自動(dòng)化等級(jí)下，真空管道超高速磁懸浮列車運(yùn)行控制信號(hào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)CBTC 系統(tǒng)和車車通信CBTC系統(tǒng)[6-7]功能比較如表1所示。

表1 3種信號(hào)系統(tǒng)功能比較Tab.1 Function comparison among three signaling systems

真空管道超高速磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)與車車通信系統(tǒng)不同之處在于，其相鄰DCS之間通過(guò)地面安全網(wǎng)進(jìn)行安全信息交互，且取消了車載系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)CS間的通信鏈路，車地通信只存在于車載設(shè)備和DCS設(shè)備之間，車與車之間不存在通信鏈路。相比已取消了信號(hào)機(jī)、計(jì)軸和有源應(yīng)答器的車車通信系統(tǒng)，真空管道超高速磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的軌旁設(shè)備還可取消無(wú)源應(yīng)答器，以進(jìn)一步降低了成本，減輕了后期維護(hù)工作量。

2 車載控制系統(tǒng)

由于牽引、供電設(shè)備均被安裝在地面，因此真空管道超高速磁懸浮列車的車載控制系統(tǒng)實(shí)際上取消了列車自動(dòng)運(yùn)行 (automatic train operation, ATO)子系統(tǒng)，只需裁剪車載列車自動(dòng)防護(hù) (automatic train protection, ATP)子系統(tǒng)。此時(shí)，車載ATP系統(tǒng)的功能也需要更加簡(jiǎn)化，甚至要弱于傳統(tǒng)全自動(dòng)駕駛 (fully automatic operation, FAO)系統(tǒng)的車載ATP，更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如車車通信CBTC系統(tǒng)的車載ATP功能繁多復(fù)雜。真空管道超高速磁懸浮列車的車載控制系統(tǒng)僅保留了列車測(cè)速測(cè)距、自主定位、速度監(jiān)控，以及車門防護(hù)功能。由于實(shí)際牽引、供電和常用制動(dòng)的控制都由分區(qū)控制系統(tǒng)承擔(dān)，即便觸發(fā)制動(dòng)曲線，真空管道超高速磁懸浮列車的車載端也無(wú)法像傳統(tǒng)ATP和ATO那樣進(jìn)行常用制動(dòng)控制，因此車載端只保留一個(gè)用于判斷脫離磁懸浮狀態(tài)且緊急制動(dòng)的接口。

在車載控制系統(tǒng)中, 列車的位置信息和運(yùn)行速度是實(shí)施車載控制的基礎(chǔ)。在高速磁浮領(lǐng)域，文獻(xiàn)[8]提出多種列車定位測(cè)速方案, 如泄漏電纜、渦流傳感、交叉感應(yīng)環(huán)線以及齒槽檢測(cè)等。

真空管道超高速磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)可以選擇通過(guò)檢測(cè)長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)的齒槽方式來(lái)實(shí)現(xiàn)列車的定位測(cè)速[9]。齒槽檢測(cè)定位方法的優(yōu)勢(shì)在于：齒槽有明顯的磁路差異, 更加方便檢測(cè)；檢測(cè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要在線路上增加設(shè)備；很少受環(huán)境影響，免于維護(hù)。檢測(cè)過(guò)程中，可直接累計(jì)齒槽個(gè)數(shù)得到運(yùn)行距離，再將齒槽計(jì)數(shù)值除以所經(jīng)歷的時(shí)間，即可求出列車速度。

考慮到干擾問(wèn)題以及檢測(cè)與處理過(guò)程中存在誤差等實(shí)際情況，傳統(tǒng)CBTC列車和車車通信CBTC列車均采用應(yīng)答器進(jìn)行絕對(duì)位置信息校正，通過(guò)相對(duì)位置與絕對(duì)位置信息相互校正來(lái)消除定位誤差。但是運(yùn)行速度若超過(guò)1 000 km/h，傳統(tǒng)應(yīng)答器則無(wú)法順利讀取位置信息。真空管道超高速磁懸浮列車可以參考既有磁浮系統(tǒng)，利用車載讀碼器讀取地面標(biāo)志板二進(jìn)制信息來(lái)進(jìn)行絕對(duì)位置矯正[9]，從而實(shí)現(xiàn)類似傳統(tǒng)鐵路信號(hào)的應(yīng)答器校正的功能。

綜上，在真空管道超高速磁懸浮列車信號(hào)系統(tǒng)的車載控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)車載ATP的自主定位功能和測(cè)速測(cè)距功能可被整合在一個(gè)測(cè)速定位子系統(tǒng)中（圖3）。此外，真空管道超高速磁懸浮列車速度監(jiān)控功能和車門控制功能與傳統(tǒng)CBTC列車的幾乎沒(méi)有區(qū)別，本文不再贅述。

圖3 真空管道超高速磁懸浮列車的車載測(cè)速定位子系統(tǒng)Fig. 3 Location and speed detection system of vacuum pipeline ultra high speed maglev train

針對(duì)傳統(tǒng)CBTC列車和車車通信CBTC列車，國(guó)內(nèi)廠商對(duì)車載設(shè)備的普遍設(shè)計(jì)方式是車頭和車尾分別設(shè)置兩套車載設(shè)備，同時(shí)只有一套設(shè)備進(jìn)行控車作業(yè)；在折返換端場(chǎng)景下，通過(guò)首尾通信切換控制端車載設(shè)備。在真空管道超高速磁懸浮列車車載控制系統(tǒng)中，由于車載應(yīng)答器傳輸模塊（balise transmission module，BTM）被取消，其牽引和制動(dòng)控制也從車上被轉(zhuǎn)移到地面，因此車輛換端時(shí)間大大縮短；同時(shí)，由于采用GoA4級(jí)全自動(dòng)無(wú)人折返方式，因此無(wú)須司機(jī)折返跑，減少了人工耗時(shí)。在方案設(shè)計(jì)時(shí)，有充分的條件和理由在一列車上只部署一套車載設(shè)備，列車換端時(shí)不需要再切換車載控制設(shè)備，只需要切換相應(yīng)的首尾端人機(jī)界面單元（driver machine interface，DMI）進(jìn)行顯示。真空管道超高速磁懸浮列車車載控制系統(tǒng)布置示意如圖4所示。

圖4 真空管道超高速磁懸浮列車車載控制系統(tǒng)布置示意Fig. 4 On-board control system of vacuum pipeline ultra high speed maglev train

由于減少了一套車載控制設(shè)備，這種部署帶來(lái)的成本優(yōu)勢(shì)顯而易見；同時(shí)，由于首尾都有車載子系統(tǒng)的裝置，因此列車的完整性數(shù)據(jù)可以從監(jiān)控內(nèi)部設(shè)備通信狀態(tài)獲取。在進(jìn)行重聯(lián)或拖掛時(shí)，屬于不同列車的車載設(shè)備可以通過(guò)重聯(lián)信號(hào)線進(jìn)行協(xié)商，從而自動(dòng)修改車長(zhǎng)參數(shù)，決定主控車載設(shè)備歸屬；同時(shí)結(jié)合車地通信交互，執(zhí)行正常的控車作業(yè)。

3 分區(qū)控制系統(tǒng)

真空管道超高速磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)地面信號(hào)系統(tǒng)包括DCS和CS。DCS不僅需要完成以往聯(lián)鎖列控一體化的功能，還要承擔(dān)ATO的核心功能。如表2所示，DCS系統(tǒng)的主要SIL4安全等級(jí)功能包括線路防護(hù)及進(jìn)路管理、軌旁設(shè)備采集驅(qū)動(dòng)（磁浮的變軌速度慢）、道岔及側(cè)沖防護(hù)(磁浮道岔設(shè)備昂貴）、移動(dòng)授權(quán)計(jì)算、列車區(qū)段粗定位（類似軌道電路，磁浮的原理決定了地面設(shè)備是知曉列車區(qū)段位置的）、臨時(shí)限速下達(dá)以及牽引供電管理；主要SIL2安全等級(jí)功能即為原車載ATO功能，包括列車啟停、按照時(shí)刻表行車、車門控制及跳?？圮嚨?。

表2 DCS系統(tǒng)功能模塊Tab. 2 Function modules of decentralized control system

以車門聯(lián)動(dòng)控制場(chǎng)景為例，DCS設(shè)備可以直接控制站臺(tái)屏蔽門，而車門開閉的執(zhí)行單元由車載系統(tǒng)承擔(dān)。實(shí)際的進(jìn)站停車開門邏輯在DCS設(shè)備中的過(guò)程如下：中央控制系統(tǒng)提前向分區(qū)控制系統(tǒng)發(fā)出門控計(jì)劃；車載控制系統(tǒng)向分區(qū)控制系統(tǒng)報(bào)告停穩(wěn)信息；分區(qū)控制系統(tǒng)判斷滿足停準(zhǔn)、停穩(wěn)等條件后，同時(shí)向車載控制系統(tǒng)和站臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)發(fā)送開門指令[3]。同樣，關(guān)門聯(lián)動(dòng)也遵照類似的邏輯。這與傳統(tǒng)CBTC及車車通信CBTC的車門聯(lián)動(dòng)控制場(chǎng)景有較大區(qū)別。

對(duì)于高速磁浮系統(tǒng)，整個(gè)運(yùn)行區(qū)間會(huì)被劃分為多個(gè)供電分區(qū)。在一個(gè)供電分區(qū)下，只允許一列磁浮列車運(yùn)行；當(dāng)分區(qū)被任一列車占用時(shí)，后續(xù)列車將不允許進(jìn)入[4]。因此，真空管道超高速磁懸浮列車通常采用準(zhǔn)移動(dòng)閉塞進(jìn)行追蹤。之所以將列車控制和聯(lián)鎖系統(tǒng)整合為DCS設(shè)備，不僅僅是由于軌旁設(shè)備的減少降低了聯(lián)鎖的實(shí)現(xiàn)難度，同等性能的安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)可以支持移動(dòng)授權(quán)（MA）計(jì)算這一傳統(tǒng)列控設(shè)備的邏輯功能整合進(jìn)入聯(lián)鎖設(shè)備。同時(shí)也可減少設(shè)備維護(hù)量，避免設(shè)備間通信異常而影響系統(tǒng)可靠性降低的問(wèn)題。此外，DCS系統(tǒng)對(duì)于新增牽引供電系統(tǒng)控制功能的整合，引入了顯而易見的好處——區(qū)段列車占用情況更加便于DCS設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，因此取消了計(jì)軸或軌道電路等傳統(tǒng)區(qū)段占用檢測(cè)軌旁設(shè)備。理論上，這更加易于解決原來(lái)ZC對(duì)于區(qū)間非通信列車的計(jì)算和防護(hù)問(wèn)題。

由于真空管道超高速磁懸浮列車速度超高，在平均運(yùn)行速度下其單車緊急制動(dòng)距離也會(huì)達(dá)到公里級(jí)，因此其站間距勢(shì)必相對(duì)稀疏，故被定位為小密度、大間隔、低運(yùn)力的“軌道+管道”交通。DCS設(shè)備的間距不僅取決于列車站間距，更取決于軌旁設(shè)備的設(shè)計(jì)、安裝和沿軌道布置線纜的成本。一般情況下，推薦的DCS設(shè)備部署密度也不會(huì)比每?jī)膳_(tái)設(shè)備間隔10 km更為稀疏，其中軌旁設(shè)備的信號(hào)部分主要是道岔（因?yàn)槿∠擞?jì)軸和應(yīng)答器、信號(hào)機(jī)），牽引供電部分主要是供電分區(qū)的規(guī)劃和部署。

對(duì)于受DCS設(shè)備控制的列車自動(dòng)化控制等級(jí)，可以只考慮聯(lián)鎖級(jí)別（固定閉塞）和CBTC級(jí)別（準(zhǔn)移動(dòng)追蹤），不設(shè)計(jì)點(diǎn)式級(jí)別。實(shí)際上，從設(shè)計(jì)之初，真空管道超高速磁懸浮列車就不是以通勤為主要目的，而是以應(yīng)急運(yùn)輸為主要目的。對(duì)于突發(fā)的大容量同目的地運(yùn)輸需要，其完全可以通過(guò)重聯(lián)列車來(lái)實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)運(yùn)力的提高。因此，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，聯(lián)鎖級(jí)別相比CBTC級(jí)別并不會(huì)明顯降低整套系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)效率。綜合考慮，實(shí)際運(yùn)營(yíng)中可能將更多地應(yīng)用聯(lián)鎖級(jí)別的運(yùn)行等級(jí)。這種情況下，一旦車地通信異常斷開，對(duì)于列車授權(quán)行駛速度的影響也會(huì)相對(duì)較小。

4 中央控制系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)[3]具有ATO功能，與傳統(tǒng)ATS具有較大差異，其基于既有產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)修改難度較大。該中央控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)ATS的功能區(qū)別并不大，可以通過(guò)在傳統(tǒng)ATS設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化而實(shí)現(xiàn)，但對(duì)外接口區(qū)別明顯。傳統(tǒng)ATO存在ATS與車輛之間的雙向通信，所以每輛車都要和ATS通信以獲得運(yùn)行計(jì)劃；真空管道超高速磁懸浮列車ATO存在于地面DCS中，且相鄰DCS之間會(huì)通過(guò)地面有線傳輸鏈路進(jìn)行通信，實(shí)際上ATS只需要將所有車的運(yùn)行計(jì)劃廣播給所有的DCS即可，哪怕某一個(gè)DCS和ATS之間的鏈路中斷，其也可通過(guò)相鄰DCS獲得列車的運(yùn)行計(jì)劃。

文獻(xiàn)[10]創(chuàng)新性提出了“管-控-電一體化”優(yōu)化框架，針對(duì)高速磁浮特點(diǎn)，兼顧節(jié)能因素，可以進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)并迭代優(yōu)化運(yùn)行圖，直到獲得最優(yōu)運(yùn)行圖以及區(qū)間操縱策略。對(duì)于GoA4級(jí)的真空管道超高速磁懸浮列車信號(hào)系統(tǒng)，其ATS系統(tǒng)有必要擴(kuò)展為行車綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（train integrate automatic system, TIAS ），以方便進(jìn)一步接入全部軌旁弱電設(shè)備的維護(hù)和監(jiān)測(cè)。

5 車地?zé)o線通信系統(tǒng)

信號(hào)系統(tǒng)對(duì)于真空管道超高速磁懸浮列車安全運(yùn)行保障的實(shí)現(xiàn)，要依賴于列車－地面無(wú)線通信系統(tǒng)。隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展，旅客信息化服系統(tǒng)也需要依賴大容量、高速移動(dòng)的列車－地面無(wú)線通信系統(tǒng)。但傳統(tǒng)的輪軌、磁浮高速鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)，比如LTE-R, WLAN, GSM-R等，在設(shè)計(jì)時(shí)并不支持速度超過(guò)1 000 km/h的高速移動(dòng)和跨區(qū)切換，因此無(wú)法支撐超高速度工況下的車地通信需求。

與此同時(shí)，如圖5所示的漏波系統(tǒng)已在軌道交通專用無(wú)線通信中發(fā)揮重要的作用，近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用[11]。漏波系統(tǒng)一般沿車體運(yùn)行方向鋪設(shè)，具有與電波覆蓋高度融合的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)與輻射特性對(duì)電波覆蓋起著決定性作用，傳統(tǒng)天線方式存在的“電波獨(dú)自傳播很長(zhǎng)距離”的情況將不再出現(xiàn)。綜上所述，相比“電波傳播”在自由空間的無(wú)線系統(tǒng)，采用“電波覆蓋”理念的真空管道漏波系統(tǒng)更適合于真空管道超高速磁懸浮列車通信系統(tǒng)。

圖5 真空管道超高速磁懸浮列車漏波通信系統(tǒng)Fig. 5 Leaky wave communication system of vacuum pipeline ultra high speed maglev train

采用漏波系統(tǒng)提供電波覆蓋有以下幾點(diǎn)好處：

（1）保障了高速移動(dòng)情況下的可靠通信和安全通信；

（2）漏波結(jié)構(gòu)可以與真空管道的金屬管壁一起實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)與加工，不僅能夠提高漏波系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，而且能降低其生產(chǎn)與鋪設(shè)的成本；

（3）對(duì)于廣大旅客來(lái)講，可以方便地通過(guò)車載中繼站接入漏波系統(tǒng)，進(jìn)而接入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，在高速旅途中體驗(yàn)到高速上網(wǎng)的便捷服務(wù)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于真空管道超高速磁懸浮列車應(yīng)用場(chǎng)景，提出一種不同于傳統(tǒng)FAO和車車通信系統(tǒng)的新型真空管道超高速磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，其大部分功能都可以通過(guò)傳統(tǒng)CBTC各子系統(tǒng)的功能重組來(lái)實(shí)現(xiàn)。其測(cè)速定位系統(tǒng)以及可用于超高速度的漏波通信系統(tǒng)，都已經(jīng)有較為成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。在現(xiàn)有技術(shù)支持下，可以在傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)或基于車車通信的CBTC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上裁剪既有ATP設(shè)備實(shí)現(xiàn)車載信號(hào)系統(tǒng)；采用聯(lián)鎖列控一體化思路開發(fā)分區(qū)控制系統(tǒng)；在傳統(tǒng)ATS設(shè)備基礎(chǔ)上升級(jí)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)中央控制系統(tǒng)，進(jìn)而開展真空管道磁懸浮超高速飛行列車通信和信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)和實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。